Design, fabrication, and characterization of micro thermal actuators

Bu tez uzayabilen kas hücrelerini karakterize etmek için tasarlanan bir termal eyleyici bazlı servo sisteminde kullanılacak olan V-Tipi termal eyleyicileri ve çift sonlu diyapazon kuvvet sensörlerinin tasarımın, üretimini ve karakterizasyonunu sunmaktadur. Eyleyiciler, aynı uzama değerlerini korurken, ürettikleri kuvveti artırmak için seri olarak paketlenmiştir. Hem sıkışma hem de gerilme durumlarında test denekleri üzerinde bir kuvvet oluşturmak için uçlarında yaylarla genel sisteme bağlanmışlardır. Eyleyicilerden üretilen yüksek sıcaklık değerlerinin etkisini azaltmak için eyleyicilerin hemen ucuna soğutma parmakları eklenmiştir. Denekleri yerleştirmek ve test etmek için eyleyici sistemi üzerinde iki büyük plaka konumlandırılmıştır. Eyleyici sisteminin bir tarafı eyleyici serisine diğer tarafı ise kuvvet algılama mekanizmasından oluşmaktadır. Eyleyici sisteminin bu iki tarafı arasındaki tek bağlantı ise denek veya denekler olacaktır. Hücre bağlanma mekanizması ve biyoloji ile ilgili diğer araştırmalar bu tezin ilgi odağında değildir, sadece mekanik tasarımı çalışılmıştır. Sensörün diğer tarafında kuvvet algılama mekanizması olarak Çift Sonlu Diyapazon rezonant sensörü, DETF'den oluşur. DETF'in modellenmesi, tasarımı ve karakterizasyonu kapsamlı bir şekilde incelenmektedir. Sensör üretiminden sonra eyleyicilerin karakterizasyon testleri gerçekleştirilmiştir. Eyleyiciler için matematiksel model ve COMSOL analizinin test sonuçlarının birbiriyle tuttuğu görülmüştür. 8V gerilim değerleri için maksimum ~ 700 K sıcaklıkta ve ortalama ~ 560 K sıcaklıkta 8-9 μm sapma değerleri elde edilmiştir. Benzer şekilde, fabrikasyondan sonra DETF yapıları hem vakum hem de hava koşullarında DETF performansını görmek için test edilmiştir. DETF'in 70 kHz civarında iki moda, 69 kHz'de eş fazlı mod ve 72 kHz'de faz dışı moda sahip olduğu gözlemlenmiştir. DETF'e uygulanan DC gerilimin yalnızca büyüklüğü etkilediği ve DETF'nin doğal frekansını etkilemediği de gösterilmiştir. Ayrıca hem vakum hem de hava koşulları için kalite faktörü 23316 ve 182 olarak elde edilmiştir. Eş faz mod ile faz dışı mod bağlantılardaki sertliklerden dolayı 3kHz farka sahiptir. Bu durum matematiksel model ve COMSOL analizi ile de doğrulanmıştır. Her sensördeki her iki plaka da üretim sırasında kırıldığı için DETF'nin hassasiyetini bulmaya yönelik testler yapılamamıştır. Kuvvet duyarlılığı için sadece matematiksel model ve COMSOL sonuçları incelenmiştir.